HYDRODYNAMIC UPLIFT FORCE AND STABILITY OF ARCIFORM PLUNGE POOL

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＡｓａｋｉｎｄｏｆｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｏｒｓ ,ｐｌｕｎｇｅｐｏｏｌｓｈａｖｅｂｅｅｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｉｎｍａｎｙｈｉｇｈｄａｍ ｐｒｏ ｊｅｃｔｓ .Ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ,ｔｈｅｙｈａｖｅｔｒａｐｅｚ     

HYDRODYNAMIC UPLIFT FORCE AND STABILITY OF ARCIFORM LUNGE POOL

Compared with general trapeziform plunge pools, an arciform plunge pool has its advantages, e.g. Less excavate quantity, higher stability, etc. In this paper, the hy-drodynamic pressure distribution on the soleplate of the arci-form plunge pool is measured under a relatively dangerous condition of operation. The result is helpful to the design of the arciform plunge pool. The result also shows that the difference between the maximum and the minimum pressures on the upward surface of the soleplate may cause an additional uplift force on the soleplate under certain condition and should be taken into consideration in the uplift force calculation of the soleplate. The scour experiment verifies the higher stability of the arciform plunge pool.     

高拱坝下游水垫塘体形比选试验研究

水垫塘作为高拱坝泄洪消能的一种重要形式,已经在众多工程中采用。本文分别对水垫塘2类（平底和反拱）3种体形——平底、反拱圆弧底、反拱抛物线底进行了水力特性研究,从水垫塘体形、塘中水舌流态、塘底冲击压强、岸坡落石运动等不同角度分析论证了3种水垫塘的水力学特性。最后得出结论：圆弧底反拱水垫塘优于其它2种形式并推荐工程采用。     

宽尾墩-跌坎型底流联合消能工水力特性试验研究

通过水工模型试验着重分析比较了宽尾墩-跌坎联合消能工与跌坎以及常规消能工消力池内的水流流态、临底流速以及脉动压力等,并根据试验结果拟合分析了该联合消能工的强迫水跃长度公式。试验结果表明,该种新型的消能方式改善了跌坎消力池内的水流流态,降低了消力池内的临底流速和脉动压力,缩短了消力池的长度,减轻了下游河道的冲刷,并且能很好地利用宽尾墩良好的消能率,克服宽尾墩挑射水流对消力池底板的冲击问题,为类似工程提供了参考,同时也丰富了泄洪消能工的型式。     

水垫塘的水流特征及其综合评价指标

 高坝下游挑跌水流在水垫塘内的流态是相当复杂的。定性上可看作为淹没冲击射流和淹没水跃流的混合流态。一方面射流入水后沿程不断扩散，在冲击区对水垫塘底部产生巨大的冲击压力，具有淹没冲击射流的特征；另一方面在冲击区下游，高速主流贴近床底并沿程扩散和迅速跃起，同时在主流区的顶部形成较大的表面漩滚区，流态特征类似于淹没水跃流。针对这种混合流态，提出一个综合评价水垫塘消能效率的新指标，以便为水垫塘设计提供科学依据。     

环境压力对高拱坝水垫塘水力特性的影响

本研究在常压和减压不同的环境压力下，研究了水垫塘内水流的流态特征、入水射流垫塘底板的冲击压力和脉动压力强度以及拱坝下游坝面的紊流脉动压力强度的特性，给出了不同环境压力下动水冲击压力的沿程分布、脉动压力强度沿程分布以及空间相关曲线。由试验成果发现，减压使水垫塘内水流流态及水力要素均发生变化，本文就这一现象作了初步的讨论分析     

NUMERICAL SIMULATION OF 3-D TURBULENT FLOWS OF PLUNGE POOL AND ENERGY DISSIPATION ANALYSIS

A 3-D numerical model for simulating the complicated turbulent flows was developed and the code was made. A numerical calculation of the plunge pool of Laxiwa project in China was carried on. Those 3-D distributions of velocity,pressure on bottom wall,turbulence kinetic energy and turbulence energy dissipation rate are revealed in detail and the detailed flow patterns of plunge pool were shown. By studying on the characteristics of turbulent diffusion and energy dissipation,the calculated results show that the major turbulence and energy dissipation are taken place near the axis of water jet. The calculated results also indicated that the calculated maximum impact pressures on the bottom wall of the plunge pool have a good agreement with those obtained by physical hydraulic model test.     

新疆五一水库消力池悬栅消能水流水力特性数值模拟

采用RNGk-ε模型,利用VOF(Volume of Fluid)流体体积法追踪自由水面,对迪那河五一水库导流洞出口悬栅消力池内水流水力特性进行数值模拟,将计算的沿程水深、底部压强、流速与物理模型试验结果进行对比,计算值与实测值吻合较好。通过数值模拟研究,弥补了物理模型试验不足,为实际工程设计提供参考。     

水垫塘三维紊流数值模拟及消能分析

开发了能模拟复杂紊流的三维数学模型，编制了大型计算程序，针对拉西瓦水垫塘进行了数值模拟，揭示了水垫塘内速度，压力，紊动能及其耗散率的三维分布规律，获得了详细的水垫塘流态特性。研究了水流紊动扩主消能特性，反映出紊动和消能大量地发生在射流轴线附近，计算所得的底板最大冲击动压与实验值进行了比较，二者符合良好。     

高土石坝大交角挑流消能水垫塘优化布置

通过如美水电站整体模型试验,从水流流态、水垫深度、动水压力、下游河道流速分布等特性,对比研究了增设二道坝和降低底板高程两类优化方案。结果表明,大交角挑流消能水垫塘下游增设二道坝,其效果与二道坝高度、泄量、河谷宽度等密切相关,会恶化出流与下游河道的衔接;降低水垫塘底板高程对下游衔接影响较小,且可有效增加水垫深度,降低水垫塘临底水力指标。     

小湾工程水垫塘优化布置的试验研究

运用紊流射流理论、基层冲刷平衡深度理论和放大岩块法，对“九五”科技攻关子题：“小湾工程水垫塘优化布置动床模型试验研究”进行了详细、深入和系统的试验研究，认为小湾水电站水垫塘在现有泄洪布置和基岩抗冲流速１０￣１２ｍ／ｓ的前提下，采用“护坡不护底”方案不仅是可行的，而且将产生显著的经济效益。通过基岩冲刷，改变二道坝高度和水垫塘边坡的系统试验研究，并结合水力计算和分析，提出了一种优化水垫塘体型－勺型水垫     

高拱坝泄洪布置形式与消能防冲设计中的若干问题探讨

对高拱坝泄洪消能中的若干突出问题进行了综述与分析。针对其泄洪消能特点,探讨了解决消能防冲的基本途径,如坝身孔口布置及与之适当的坝下消能形式（水垫塘）。分析了水垫塘内水流结构与消能机理,从而要求水垫塘有足够的消能体积与水垫深度。提出了关于水垫塘体型设计的防护标准及底板防护措施的若干意见。     

低水头、大单宽流量泄洪消能方式研究

对于具有低水头、大单宽流量、低佛氏数、深尾水以及下游水位落差变幅大等特点的泄洪消能问题,其过流特点是:由于闸下跃前水流的佛汝德数较低,消力池内水垫较深,水流下泄后下游水位对闸室水流和消力池内水流流态影响较大。通过水工模型试验研究,提出了采用淹没式宽尾墩消力池联合消能方式。在闸室末端采用宽尾墩后,水舌沿纵向拉伸扩散,消除和抵消了常规的等宽闸墩情况下出现水跃的来回震荡现象,水流经宽尾墩收缩后,以淹没射流形式进入消力池,池内水流具有三维射流特性,消力池内产生横、纵向扩散和剪切、掺混,加强了消能效果,达到了稳定水跃、分散水流、加强紊动剪切和掺混的目的,较好地解决了下游河床的消能防冲问题。     

平底型与反拱型水垫塘动水荷载对比试验研究

水垫塘结构是影响高坝泄洪消能的关键,优化水垫塘底板型式对有效地增加底板稳定性和减小动水荷载至关重要.平底型和反拱型底板作为两种常见的水垫塘结构型式被业界广泛采用,但关于两者的动水荷载特性对比研究尚不多见.基于白鹤滩水电站1:50整体模型,采用物理模型试验的方法对比了平底型和反拱型水垫塘在时均压强和脉动压强方面的特性.结...     

多层水股射流在水垫塘内的流动-特征与动水垫效应分析

多层水股在水垫塘内的流动特征及其各水股间的干扰、碰撞和动水垫效应等对探明水垫塘的消能机理和体型优化设计具有重要的意义．本文利用激光片光源和荧光染色液技术，对静水和动水垫中的射流进行了流场显示试验，并通过射流在动水中的流动特征和淹没冲击射流理论，分析了多层水股在水垫塘内的流动机理和动水垫效应，导出的有关公式得到了试验资料的验证     

用二维瞬变流方程分析缝面层中脉动压力传播规律

本文利用二维瞬变流方程探讨了高坝岩块底 部或水垫塘底板块底部脉动压力波的传播规律，并提出计算可能最大脉动上举力的方法和公式。     

超短型水垫塘底板块上脉动上举力试验研究

基于瞬变流理论模型，本文在1:110的构皮滩工程超短型水垫塘消能布置的整体模型上，利用测力传感器详细地量测了不同泄流工况下，水垫塘底部不同位置处底板块上的脉动上举力，获得了脉动上举力的统计资料，分析了水垫塘底部不同区底板块的受力特征，为水垫塘底板块的设计与防护提供了科学依据     

窄缝挑坎在高拱坝深孔中的 初步应用研究

在锦屏一级水电站（拱坝坝高305 m）整体水工模型上将窄缝挑坎应用于高拱坝泄洪深孔,对窄缝挑坎体型参数选择和布置进行了试验研究。试验结果表明,窄缝挑坎应用于高拱坝深孔,可以获得窄长下泄水流流态;边墙压力测量结果显示,深孔采用窄缝挑坎后边墙无负压出现,但在窄缝收缩起点附近存在压力增大;射流水舌在水垫塘内纵向扩散效果显著,水垫塘底板时均冲击动压分布相对常规挑坎时而言更加坦化,底板冲击动压差也大大减小,这对水垫塘底板稳定和减小射流冲刷有利.     

溢流拱坝反拱型水垫塘性能的原型观测与模型试验研究

对长潭岗水电站反拱型水垫塘的动水荷载、底板扬压力、锚固钢筋应力、拱端推力等进行了原体观测,并与水工模型试验结果相验证。结果表明反拱型水垫塘可较好地协调地形、结构和水流条件,曲线形状可使水流平顺;由于采用了拱型结构,底板由抗浮稳定转为抗轴向力,从而改善了底板的受力条件。为了预估不同工况条件下水垫塘的工作特性和进一步完善反拱水垫塘设计理论,还对反拱型水垫塘三维流场进行了数值模拟和进一步的水工模型试验。     

水垫塘冲击区掺气浓度对脉动压强作用的试验研究

采用水工模型试验,研究泄流进入水垫塘后在水垫塘底板冲击区内掺气浓度对脉动压强的作用。通过改变掺气量,使水垫塘内水体的掺气浓度发生变化,开展不同的掺气浓度对水垫塘冲击区底板脉动压强影响的研究。结果表明:在保持水垫深度和泄流流量不变的情况下,增加掺气量,水垫塘冲击区同一测点水体掺气浓度值随掺气量的增加而增加。水垫塘冲击区内掺气浓度分布规律为在冲击点处达到最大值,由冲击点向上、下游递减;冲击区底板总动水压强的峰值随掺气量的增加而降低;脉动压强的方差值随掺气量的增加而减小,即脉动变幅减小。脉动压强的概率密度分布为正态分布,分布曲线随掺气量的增加而变陡、变窄,脉动强度系数分布集中,即方差变小,压强峰值减小,脉动强度减小。同一测点脉动压强的频谱分布规律一致,其优势频率集中在低频范围,随掺气量的增加,脉动幅值降低,即脉动压强降低。